[发明专利]一种链状金属合金材料及其制备方法与应用

说明书

本发明揭示了一种链状金属合金材料及其制备方法与应用。所述链状金属合金材料的制备方法包括如下步骤：将过渡金属氧化物纳米颗粒浸置于包含尿素和铂源的混合液中，反应形成过渡金属氧化物/氢氧化铂复合物；在还原性气氛中，对所述过渡金属氧化物/氢氧化铂复合物进行高温退火处理，获得链状金属合金材料。本发明利用尿素的氨基和包裹过渡金属氧化物的油酸的羧基之间的取代反应，将单个的过渡金属氧化物纳米颗粒串联起来形成链状，Pt(OH)subgt;4/subgt;在过渡金属氧化物纳米颗粒表面沉积，通过Hsubgt;2/subgt;还原气氛退火，成功制备链状金属合金材料，且该链状金属合金材料具有优异的氧还原性能。

技术领域

本发明属于能源与清洁技术领域，具体涉及一种链状金属合金材料及其制备方法与应用。

背景技术

能源短缺、气候变暖、环境污染的问题促使开发绿色可持续发展能源迫在眉睫。燃料电池是以燃料、氧气为原料，将化学能转化为电能的装置。燃料电池具有绿色化、高电流密度、低重量、紧凑型发电等特点，有望解决全球环境污染及能源供给问题。氧还原反应(ORR)的动力学缓慢，需要较高的过电位，通常需要加入催化剂来加速反应的进行，从而提高燃料电池的性能。目前工业上最常用的ORR催化剂是20wt％Pt/C，为了达到理想的燃料电池的性能，通常需要较高的Pt负载量(0.4mg/cm²)。但是Pt在地球上的储量少，价格昂贵。其次，Pt/C在长期工作的过程中，Pt会从碳载体的表面脱落并聚集形成大的纳米颗粒，稳定性较差，使用寿命短。这一系列的问题严重限制了燃料电池的量产化应用。降低催化剂成本，研制高效、稳定、廉价的催化剂，对促进燃料电池的商业化具有深远意义。合理优化含Pt活性位点的本征活性并最大程度地利用它们对开发高效Pt基ORR催化剂至关重要。将Pt与过渡金属合金化可以调控催化剂表面的化学组成、电子结构、原子排列，不仅可以提高催化剂的活性和耐久性，还可以降低贵金属 Pt的用量。通常Pt基合金催化剂可通过分解或还原前驱体可制得，如何制备高效稳定、利用率高的Pt基合金催化剂仍是发展的瓶颈。

Wang等(EnergyEnvironmental Science.2016，9，2623-2632.Fine-grained andfully ordered intermetallic PtFe catalysts with largely enhanced catalyticactivity and durability.)利用液相还原法制备粒径3.6nm的有序金属间化物PtFe颗粒，并将其截留在多孔碳中。该催化剂的比活性和质量活性是20wt％Pt/C的8～10倍。Guo等(Advance Materials.2018， 30，e1705515.Stable High-Index Faceted Pt Skin onZigzag-Like PtFe Nanowires Enhances Oxygen Reduction Catalysis.)报道了一种具有稳定高指数晶面(HIF)和纳米隔离的Pt 皮肤结构的Pt₃Fe锯齿状纳米线，在燃料电池中表现出显著的电催化作用。Guo等(Science Bulletin.2020，65，97-104.Interfacemodulation of twinned PtFe nanoplates branched 3D architecture for oxygenreduction catalysis.)还合成了一种新型由二维孪晶纳米板组成的 PtFe纳米枝晶氧还原电催化剂，通过热处理诱导形成Pt皮肤，该催化剂突破了枝状电催化剂的ORR性能上限。此外，还有许多研究工作致力于发展其他二元或多元金属合金催化剂，如Pt-Ni(Science.2019，366，850.Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficientoxygen reduction in practical fuel cells.)、Pt-Co(Adv.Funct.Mater.2019，29，1807340.The Quasi-Pt-Allotrope Catalyst：Hollow PtCo@single-Atom Pt₁ onNitrogen-Doped Carbon toward Superior Oxygen Reduction)、Pt-Cu(Angew.Chem.Int.Ed. 10.1002/anie.202002394.Achieve Superior ElectrocatalyticPerformance by Surface Copper Vacancy Defects during Electrochemical EtchingProcess)、Pt-Fe-Cu(Nano Energy.2018，54， 280-287.Core/shell Cu/FePtCunanoparticles with face-centered tetragonal texture：An active and stable low-Pt catalyst for enhanced oxygen reduction.)。